Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II /
Biosensorik
Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip
Die universelle
Technologie des Lebens
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle
gestattet
2
Komplex aus 44 Aminosäuren
Verdauungsenzym
pH lt 5
pH gt 5 !
Magensäure pH 2
Pepsin
Pepsinogen
Ein Schlüssel-Schloss-Molekül
aktiv
inaktiv !
3
Wie stellt die Natur ihre
Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?
4
Konstruktionszeichnung Realisation
Gestern
5
0100011011110010110010111100101011 . ..
Konstruktionszeichnung Realisation
Heute
6
Desoxyribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix)
Protein (Aminosäurekette)
Konstruktionszeichnung Realisation
In der Biologie
7
(No Transcript)
8
Schlüssel-Schloss-Prinzip Basenpaarung
9
Der Genetische DNA-Code
10
Aminoacyl t-RNA Synthetase
Realisierung der genetischen Information
Bei der RNA ist Thymin durch Uracyl ersetzt
11
Akzeptor für Aminosäure
A
A
G
Phenylalanin t-RNA
12
Aminosäure und ATP docken an
Aminoacyl t-RNA Synthetase
ATP gibt zwei Phosphatgruppen ab
Enzym kehrt in den Originalzustand zurück
und verbindet sich mit der Aminosäure
t-RNA dockt an AMP wird frei
Beladene t-RNA wird freigegeben
unbeladene t-RNA
13
Die Form und damit die Funktion der Aminoacyl
t-RNA Synthetase entsteht durch die
Aneinanderreihung der richtigen Aminosäuren
Die Form und damit die Funktion eines jeden
Enzyms entsteht durch die
Aneinanderreihung der richtigen Aminosäuren
!
14
Durch die Aneinanderreihung der richtigen
Längen und Winkel eines Polygonzuges entsteht ein
Zahnrad.
Technisches Formgebungsproblem Zahnrad
15
Man stelle sich die 20 Aminosäuren als 20
verschiedene Winkelstücke vor, die zu einer
Gelenkkette aneinandergekoppelt werden können.
16
Signalmolekül
Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung
17
Aminosäuren Matrix der paarweisen
Interaktionsenergien
ALA CYS ASP GLU PHE GLY HIS
ILE LYS LEU MET ASN PRO GLN ARG
SER THR VAL TRP TYR ALA 0,18 -0,01
0,12 0,62 -0,76 0,40 -0,47 -0,92 0,28 -0,61
-0,87 0,28 0,34 0,31 0,08 0,06 -0,09 -0,63
-0,76 -0,77 CYS -0,01 -0,27 0,26 -0,15
-1,45 0,12 -1,37 -0,56 0,11 -0,67 -1,52 0,12
0,45 -0,77 -1,40 -0,27 0,12 -0,75 -1,48 -0,90
ASP 0,12 0,26 0,86 0,16 0,11 0,40 -1,37
0,39 -0,09 0,92 0,14 0,24 1,17 0,29 -0,89
0,19 -0,25 0,35 -0,27 -0,29 GLU 0,62 -0,15
0,16 -0,57 -0,30 1,06 -0,76 0,57 -0,84 0,42
0,08 0,00 0,50 -0,12 -0,76 0,23 -0,08 0,57
-0,65 -0,56 PHE -0,76 -1,45 0,11 -0,30
-1,65 -0,03 -1,27 -1,60 0,05 -1,43 -1,52 -0,22
0,27 -0,31 -0,81 -0,37 -0,90 -1,23 -1,46 -0,89
GLY 0,40 0,12 0,40 1,06 -0,03 0,00 0,15
0,01 0,63 0,09 -0,32 0,62 0,36 0,26 -0,18
0,44 0,40 0,06 -0,70 0,24 HIS -0,47 -1,37
-1,37 -0,76 -1,27 0,15 -0,95 -0,04 0,72 0,29
-1,20 -0,49 -0,28 -0,38 -0,42 -0,26 0,11 0,24
-1,38 -0,83 ILE -0,92 -0,56 0,39 0,57
-1,60 0,01 -0,04 -1,49 0,20 -1,49 -1,60 0,15
0,44 0,21 0,05 0,15 -0,39 -1,34 -1,48 -0,85
LYS 0,28 0,11 -0,09 -0,84 0,05 0,63 0,72
0,20 1,13 0,28 0,48 0,54 0,91 0,31 1,18
0,61 0,15 0,77 -0,24 -0,57 LEU -0,61 -0,67
0,92 0,42 -1,43 0,09 0,29 -1,49 0,28 -1,33
-1,11 0,26 0,46 0,19 -0,28 0,15 -0,13 -1,09
-1,07 -0,71 MET -0,87 -1,52 0,14 0,08
-1,52 -0,35 -1,20 -1,60 0,48 -1,11 -1,51 -0,81
-0,04 0,72 -0,77 0,08 -0,63 -1,10 -1,91 -0,88
ASN 0,28 0,12 0,24 0,00 -0,22 0,62 -0,49
0,15 0,54 0,26 -0,81 -0,25 0,56 -0,30 0,06
-0,20 0,18 0,23 -0,49 -0,59 PRO 0,34
0,45 1,17 0,50 0,27 0,36 -0,28 0,44 0,91
0,46 -0,04 0,56 0,77 -0,51 -0,25 0,48 0,63
0,07 -0,58 -0,53 GLN 0,31 -0,77 0,29 -0,12
-0,31 0,26 -0,38 0,21 0,31 0,19 0,72 -0,30
-0,51 0,20 -0,30 0,80 0,00 0,00 0,05 -1,04
ARG 0,08 -1,40 -0,89 -0,76 -0,81 -0,18 -0,42
0,05 1,18 -0,28 -0,77 0,06 -0,25 -0,30 -0,64
-0,26 0,48 0,08 -1,00 -1,01 SER 0,06
-0,27 0,19 0,23 -0,37 0,44 -0,26 0,15 0,61
0,15 0,08 -0,20 0,48 0,80 -0,26 -0,06 -0,05
0,11 -0,23 -0,28 THR -0,09 0,12 -0,25 -0,08
-0,90 0,40 0,11 -0,39 0,15 -0,13 -0,63 0,18
0,63 0,00 0,48 -0,05 -0,26 -0,31 -0,10 -0,36
VAL -0,63 -0,75 0,35 0,57 -1,23 0,06 0,24
-1,34 0,77 -1,09 -1,10 0,23 0,07 0,00 0,08
0,11 -0,31 -1,26 -1,13 -0,67 TRP -0,76 -1,48
-0,27 -0,65 -1,46 -0,70 -1,38 -1,48 -0,24 -1,07
-1,91 -0,49 -0,58 0,05 -1,00 -0,23 -0,10 -1,13
-1,04 -0,63 TYR -0,77 -0,90 -0,29 -0,56
-0,89 0,24 -0,83 -0,85 -0,57 -0,71 -0,88 -0,59
-0,53 -1,04 -1,01 -0,28 -0,36 -0,67 -0,63 -0,40
18
Zahnradfertigung
Proteinfaltung
Technisches Formgebungsproblem
und

biologisches Formgebungsproblem
19
Mit DNA Rechnen
20
Der HAMILTON-Weg
Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen
nur einmal durchlaufen werden.
ADLEMANs Experiment
21
3
4
2
1
5
6
7
Die Lösung
22
Strategie zur Konstruktion eines HAMILTONschen
Weges
Gegeben sei ein Graph mit n Knoten 1. Erzeuge
eine Menge zufällig bestimmter Wege durch den
Graphen. 2. Für alle Wege in dieser Menge
a) Überprüfe, ob der Weg mit dem Startknoten
beginnt und mit dem Zielknoten endet.
Falls nicht, entferne den Weg aus der Menge.
b) Überprüfe, ob der Weg genau n Knoten enthält.
Falls nicht, entferne den Weg aus der
Menge. c) Überprüfe, ob außer Start- und
Zielknoten auch jeder andere Knoten des Gra-
phen im Weg enthalten ist. Falls nicht,
entferne den Weg aus der Menge. 3. Wenn die
Menge nicht leer ist melde, dass ein HA M I
LTON-Weg existiert wenn sie leer ist melde,
dass es keinen gibt !
23
(No Transcript)
24
Ziel
Aalen
Städte-Code
Celle
Gotha
Trier
Start
Verbindungsmoleküle
Basismoleküle
25
Trier
Gotha
Aalen
Gotha
26
Die Basis-DNA-Se-quenzen kommen in das
Reaktionsgefäß
27
Kettenbildungen
!
28
Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain
Reaction (PCR)
29
Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain
Reaction (PCR)
30
Aalen
Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain
Reaction (PCR)
31
Gel-Elektrophorese
DNA-Probe
Langes Fragment Kurzer Weg
Anode
Kathode
Kurzes Fragment Langer Weg
32
Affinitätsselektion
33
Affinitätssektion
34
ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert
35
Tube Declarations Ex tube tlt8gt tube
tube_array3lt8gt tube t no length // illegal
Bit Logic Operations Ex tlt3gt tlt5gt
tlt6gt tlt2gt tlt3gt tltigt tlt0gt tltIgt
tltI1gt tlt5gt !tlt2gt
Tube Initialisation Ex t1 init 3
Tube Combinations Ex t1 lt- t2 t3 t1 t2 t1
t2
Bit Assignment Ex tltIgt (A gt 35) tlt0gt
0 tlt1gt 1
Tube Moves Ex t1 t2
Bit Copy Ex tlt3gt tlt5
Tube Separation Ex t srcltbitgt -gt t on t off
DNA C Programmiersprache für DNA-Computing
(Steven Carroll)
36
Beispiel für eine tube separation
SAT-Problem
extrahiere x0
extrahiere z1
Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem)
kombiniere x0 z1
1
extrahiere y0
extrahiere x1
kombiniere x1 y0
2
extrahiere z0
Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ?
extrahiere y1
kombiniere y1 z0
3
37
Logische Funktion
a v b
a b
a
b
b
a
v
a
a
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
oder
und
nicht
38
Beispiel für eine tube separation
SAT-Problem
extrahiere x0
extrahiere z1
Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem)
kombiniere x0 z1
1
extrahiere y0
extrahiere x1
kombiniere x1 y0
2
extrahiere z0
Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ?
extrahiere y1
kombiniere y1 z0
3
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Elektronische Informationsverarbeitung
Molekulare Informationsverarbeitung
40
(No Transcript)
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Biochip
oder Schlüssel-Schloss-Array
Markierte Positiv-Moleküle
Bis zu 100 000 verschiedene Gruppen von
Negativ-Molekülen auf Unterlage fixiert.
Je 10 Mill. Moleküle
42
Der DNA Chip
43
1
Glas-Objektträger mit Mikroarray Messpunkte
(Spots) mit individuellen DNA-Oligomeren
bekannter Sequenz
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
44
2
Fluoreszenzmarkierung
Hybridisierung Unbekannte DNA-Probe Kontroll-DNA
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
45
3
Waschen Falsch gepaarte DNA-Stränge werden
herausgewaschen
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
46
4
Laserkamera Orange Mischfarbe, wenn Kontroll-
und Probe-DNA iden- tisch, sonst rote oder grüne
Spots
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
47
5
Auswertung Auswertung der Spotfarben mit Hilfe
eines Computers
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
48
Auslesen eines DNA-Chips
49
Ende
www.bionik.tu-berlin.de